JP5211054B2 - 風力発電装置のロータヘッド、その製造方法、およびその搬送組立方法、ならびに風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置のロータヘッド、その製造方法、およびその搬送組立方法、ならびに風力発電装置に関する。

風力発電装置の風車装置は、支柱の上端に略水平に回転可能に設置されるナセルと、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセルに設けられるロータヘッドと、ロータヘッドの軸線周りに放射状に取り付けられた複数枚（例えば３枚）の風車翼とを備えている。
ロータヘッドの軸線方向から風車翼に当たった風の力が、ロータヘッドを軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ロータヘッドは、強度を考慮して一般に鋳物（鋳鉄、鋳鋼）で一体として製作されている。近年、風車装置の大型化に伴いロータヘッドも大型化し、重量が大きくなっている。たとえば、２〜３ＭＷクラスの風力発電装置のロータヘッドの重量は１０トン程度となっている。将来、風力発電装置が５ＭＷクラスになると、ロータヘッドの重量は４０トンを超えるようになると予測されている。
このように、ロータヘッドが大型化すると、鋳物による一体製作が困難となる、あるいは製作できなくなる恐れがある。また、ロータヘッドを組立現場に搬送するのも大変な作業およびコストを要することになる。
このため、ロータヘッドの大型化に対応できる構造が強く求められている。

これを、たとえば、特許文献１に示されるように、分割して製作し、組立現場で組み立てるようにするロータヘッドが提案されている。
これは、ロータヘッドが、中央のコア部と各風車翼を取り付ける３個の外側部とに分割され、それらを接合して形成されている。
これにより、コア部および外側部は信頼性のある大きさで鋳物によって製作できるので、高い品質で製造できる。また、小さなものを運搬するので、運送も容易となるものである。

特表２００４−５０４５３４号公報

特許文献１に示されるものは、コア部と外側部との接合部分が風車翼の取付面に沿う全周面で行われている。このため、分割部分の接合部には、風車翼に作用する荷重の全てがかかるので、接合部は強固な接合構造とすることを求められる。
一般に、接合構造の強度は、一体構造のものに比較して弱いので、大きな荷重が作用するものでは長期的な信頼性に問題がある。

また、コア部には、各外側部が接合される開口部が設けられているので、この開口部間に狭隘な鞍部が存在する。コア部を鋳物で製造する場合、この鞍部を溶湯が流れることになるので、溶湯が十分に流れるだけの大きさの断面積を必要とする。このため、コア部を小さくするのに制約を与えることになる。即ち、溶湯の流路の途中に存在する鞍部領域は、鋳込みの精度や質を維持するために十分な大きさを確保する必要があり、容易にコア部の小型化を図ることは困難であった。

本発明は、上記の課題に鑑み、大型化に対応でき、その信頼性が損なわれることを防止できる風力発電装置のロータヘッド、その製造方法、およびその搬送組立方法、ならびに風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１態様は、複数の風車翼が軸線回りに放射状に取り付けられている風力発電装置のロータヘッドであって、複数に分割されて形成された分割体を接合して構成され、該分割体同士の接合部分の少なくとも一つは前記軸線に交差する面内に形成され、前記接合部分は、前記各風車翼の軸線中心を通る面内に形成された鞍部に位置するとともに、厚さ方向の外側および内側に突起するように設けられている風力発電装置のロータヘッドである。

本態様によれば、ロータヘッドは複数の分割体を接合して構成されるので、個々の分割体は信頼性のある大きさで鋳物によって製作することができる。これにより、ロータヘッドが大型化してもそれを確実に製造することができる。また、分割体毎に建設現場に搬送するので、容易に搬送することができる。
分割体同士の接合部分の少なくとも一つは、ロータヘッドの軸線に交差する面内に形成されているので、この分割面は風向に交差する方向に形成されている。風車翼に風が当ると、風車翼は風下側にたわむことになるので、風車翼の取付面に作用する曲げ荷重は風上側および風下側が大きくなり、風向に交差する方向に向かって小さくなる。したがって、分割体同士の接合部分はこの曲げ荷重が小さい部分に設けられていることになるので、接合構造の信頼性を高くすることができる。
また、この接合部分は風車翼の取付用開口部間を切断するように形成されているので、分割体を鋳物で製造する場合に、この部分を溶湯の入口あるいは出口とすることができる。これにより、取付用開口部間の鞍部を溶湯が流れることを求める必要がなくなるので、断面積、すなわち、開口部間の幅を小さくすることができる。開口部間の鞍部を小さくできると、ロータヘッドを小型化することができる。

上記態様では、前記分割体は２個とされていることが望ましい。

このように、接合部分は各風車翼の軸線中心を通る面内、言い換えると、ロータヘッドの軸線に略直交するように交差する面内にのみ形成されているので、最も荷重が少ない部分で接合されることになる。

上記構成においては、前記接合部分には、相互の接合位置を設定する位置決め部材が設けられていることが望ましい。

このようにすると、位置決め部材によって接合位置を設定し、それに合わせて鋳物の機械加工、たとえば、旋回輪の取付面の加工を行うことができる。
また、前記接合部分には、溶湯の入口または出口が設けられていることが望ましい。

本発明の第２態様は、風力を受ける複数の風車翼と、上記第１態様のロータヘッドと、該ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、が設けられている風力発電装置である。

本態様によれば、上記第１態様のロータヘッドを用いることにより、信頼性を損なうことなくロータヘッドの大型化に対応できるので、風力発電装置の大型化に対応することができる。
また、上記第１態様に用いられる風力発電装置のロータヘッドの製造方法は、鋳造される前記分割体の前記接合部分が上になるように鋳型を形成し、溶湯を前記鋳型の下部から注入し、前記接合部分を溶湯の出口とすることが望ましい。
また、上記第１態様に用いられる風力発電装置のロータヘッドの搬送組立方法は、前記分割体をそれぞれ別個に組立現場に搬送し、該組立現場にて、搬送された前記分割体同士を、前記接合部分を用いて接合することが望ましい。

本発明によれば、ロータヘッドは複数の分割体を接合して構成されるので、ロータヘッドが大型化してもそれを確実に製造することができる。また、分割体毎に建設現場に搬送するので、容易に搬送することができる。
分割体同士の接合部分の少なくとも一つは、ロータヘッドの軸線に交差する面内に形成されているので、接合構造の信頼性を高くすることができる。
また、この接合部分は風車翼の取付用開口部間を切断するように形成されているので、開口部間の鞍部を小さくでき、ロータヘッドを小型化することができる。

本発明の一実施形態にかかる風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。 図１のロータヘッドの構成を説明する部分拡大図である。 本発明の一実施形態にかかるロータヘッドの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかるロータヘッドの旋回輪における荷重分布を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる接合部の構成を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態にかかる接合部の接合状態を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態にかかるロータヘッドの作用を説明する模式図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
４ ロータヘッド
６ 風車翼
７ 発電設備
１３ 前部ロータヘッド
１４ 後部ロータヘッド
１６ 接合部
１８ リーマ穴
１９ リーマピン
Ｌ 回転軸線
Ｏ，ＯＡ，ＯＢ，ＯＣ 軸線中心

本発明の一実施形態にかかる風力発電装置１について図１〜図７に基づいて説明する。
図１は、本実施形態にかかる風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
風力発電装置１には、基礎Ｂ上に立設された支柱２と、支柱２の上端に設置されたナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４を覆う頭部カプセル５と、ロータヘッド４の回転軸線（軸線）Ｌ周りに放射状に取り付けられる複数枚の風車翼６と、ロータヘッド４の回転により発電を行う発電設備７と、が設けられている。

支柱２は、図１に示すように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる柱状の構成とされ、たとえば、複数のユニットを上下方向に連結した構成とされている。
支柱２の最上部には、ナセル３が設けられている。支柱２が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル３が設置されている。

ナセル３は、図１に示すように、主軸８によってロータヘッド４を回転可能に支持するとともに、内部にロータヘッド４（すなわち、主軸８）の回転により発電を行う発電設備７が収納されている。
発電設備７としては、主軸８の回転数を増加させる増速機と、ロータヘッド４の回転駆動力が伝達され発電を行う発電機と、発電機により発電された電圧を所定の電圧に変換するトランスと、が設けられているものを挙げることができる。

図２は、図１のロータヘッド部の構成を説明する部分拡大図である。図３は、ロータヘッド４の単体状態を示す斜視図である。
ロータヘッド４には、その回転軸線Ｌ周りに放射状にして複数枚の風車翼６が取り付けられ、その周囲は頭部カプセル５により覆われている。
これにより、風車翼６にロータヘッド４の回転軸線Ｌ方向から風が当たると、風車翼６にロータヘッド４を回転軸線Ｌ周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド４が回転駆動される。

なお、本実施形態では、３枚の風車翼６が設けられた例に適用して説明するが、風車翼６の数は３枚に限られることなく、２枚の場合や、３枚より多い場合に適用してもよく、特に限定するものではない。

ロータヘッド４には、主軸８が装着される主軸装着部９と、風車翼６が取り付けられる略円形の開口部である風車翼取付部１０とが設けられている。
ロータヘッド４は、回転軸線Ｌの方向、すなわち、風向Ｗから見ると、角部が凹湾曲した略正三角形状をしている。風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、図３に示されるように、正三角形の各辺に対応する位置に、略円形状に形成されている。

ロータヘッド４は、風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの軸線中心ＯＡ，ＯＢ，ＯＣを結ぶ面１１で２分割された前部ロータヘッド（分割体）１３および後部ロータヘッド（分割体）１４で構成されている。
面１１は、ロータヘッド４の回転軸線Ｌに略直交するように交差している。
前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４における風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの間の凹湾曲した鞍部１５には、接合部（接合部分）１６が設けられている。

接合部１６は、図３および図５に示されるように、厚さ方向に外側および内側に突起するように設けられている。接合部１６の突起部には、図５に示されるように、複数、たとえば、３個のボルト挿通用の貫通孔１７が形成されている。
接合部１６の本体部分には、位置決め用のリーマ穴（位置決め部材）１８が複数、たとえば、２個形成されている。

前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４は、図６に示されるように、各接合部１６においてリーマ穴１８に挿通されるリーマピン（位置決め部材）１９によって位置決めされ、ボルト孔１７に挿通されるボルト２０およびナット２２によって接合される。
なお、ボルト孔１７にネジを切って、ナット２２を用いないでボルト２０によって接合するようにしてもよい。

このように、ロータヘッド４は前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４を接合して構成されるので、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４は信頼性のある大きさで鋳物によって製作することができる。
これにより、ロータヘッド４が大型化してもそれを確実に製造することができる。また、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４はそれぞれ別個に組立現場に搬送できるので、それらを容易に搬送することができる。

風車翼６の翼根元側には、ロータヘッド４に旋回輪軸受２３によって回動自在に支持されている基部２１が備えられている。旋回輪軸受２３は、２列の転がり軸受で構成されている。
基部２１は、旋回輪軸受２３の内輪２５の両端部を一対の略円形状の天板２９で挟んで形成されている。

旋回輪軸受２３の外輪２７は、ロータヘッド４にボルトによって固定して取り付けられている。
外周側（図５の下側）の天板２９には風車翼６が固定して取り付けられているので、風車翼６の全体がロータヘッド４に対して回動可能に支持されている。

ロータヘッド４には、風車翼６の軸線中心Ｏ回りに風車翼６を回転させて、風車翼６のピッチ角を変更するピッチ駆動装置１９が各風車翼６に対応して１対１に設けられている。（図２参照）

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
風力発電装置１においては、ロータヘッド４の回転軸線Ｌ方向から風車翼６に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換される。

このロータヘッド４の回転は主軸８によって発電設備７に伝達され、発電設備７において、電力の供給対象に合わせた電力、たとえば、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が発電される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車翼６に効果的に作用させるため、適宜ナセル３を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド４は風上に向けられている。

このとき、風車翼６に風が当ると、風車翼６は風下側にたわむことになるので、風車翼６のロータヘッド４への取付部分である旋回輪２３に曲げ荷重が作用する。
図４は、風車翼取付部１０Ａにおける旋回輪２３に作用する荷重分布Ｐを示している。面１１は、風車翼取付部１０Ａの軸線中心ＯＡを通り、軸線中心Ｌ、すなわち、風向Ｗに略直交している。この面１１と風車翼取付部１０Ａとの交点を点Ａ，Ｂとする。

風車翼６が風による曲げモーメントを受けると、旋回輪２３に作用する曲げ荷重は風上側および風下側が大きくなり、風向に交差する方向に向かって小さくなる。したがって、面１１上の点Ａおよび点Ｂにおいて極小となる。言い換えると、面１１上の点Ａおよび点Ｂを挟んで対称となるので、これらの位置は曲げ荷重の中立位置となる。なお、風の状況等が変化すると、この中立位置は若干振れることになるが、総体的には点Ａおよび点Ｂが中立位置となる。

このように、接合部１６は曲げ荷重が最も小さい部分に設けられていることになるので、接合部１６に大きな荷重が作用しない。このため、ボルト２０およびナット２２で接合した構造でも強度面で長期的に十分な信頼性を持つことができる。
なお、面１１は、軸線中心ＯＡ，ＯＢ，ＯＣを通って回転軸線Ｌに交差するようにしても略同等の荷重条件を得ることができる。また、面１１は、軸線中心ＯＡ，ＯＢ，ＯＣを通らずに、回転軸線Ｌに交差するようにしてもよい。

次に、ロータヘッド４の製造方法について説明する。
前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４はそれぞれ鋳造によって作成される。このとき、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４は、接合部１６が上になるように鋳型を形成し、溶湯を下部から注入し、接合部１６から余分なカス等を出すようにする。

このように、風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ間の鞍部１５に接合部１６が形成されているので、たとえば、接合部１６が溶湯の出口とできる。溶湯が鞍部１５を流下することが必要でなくなると、溶湯を流下させるのに最低限必要とする断面積を維持する必要がなくなる。このため、溶湯を流下するのに必要な断面積と無関係に、鞍部１５の断面積、すなわち、鞍部１５の幅を小さくすることができる。
言い換えると、風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを相互に接近して設けることができる。

図７は、鞍部１５の大きさによる風車翼６の大きさへの影響を示している。鞍部１５は、溶湯をなめらかに流下させるために必要な大きさとされている。
本実施形態では、鞍部１５の大きさが溶湯を流下するのに必要な断面積と無関係であるので、風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを回転軸線Ｌの方向へ移動させて鞍部１５の大きさを鞍部１５Ａのように小さくすることができる。
このように、鞍部１５を鞍部１５Ａのように小さくできるので、風車翼６の大きさを変えずにロータヘッド４をロータヘッド４Ａのように小型化することができる。

一方、一体構造のロータヘッド４では、ロータヘッド４Ａと略同容積のロータヘッド４Ｂとした場合、鞍部１５Ｂが鞍部１５と略同等な大きさとなるので、風車翼６Ｂは、風車翼６に比べて小さくなる。
言い換えれば、同じ大きさの風車翼６を取り付ける場合、本実施形態では、ロータヘッド４の大きさを小さくすることができる。

次に、鋳造された接合面１６を削り、位置を合わせるためにリーマ穴１８を機械加工する。リーマ穴１８を基準として、ボルト孔１７、外輪２７の取付面等を機械加工する。
このように、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４を接合するときの位置を決めるリーマ穴１８に合わせて鋳物の機械加工、たとえば、旋回輪の取付面の加工を行うので、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４を合体して、ロータヘッド４を正確に形成することができる。

別体で形成した前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４は、風力発電装置１の組立現場にそれぞれ搬送される。このように、前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４が別個に搬送されるので、ロータヘッドが大型化してもそれを組立現場に容易に搬送することができる。

前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４は、組立現場で組み立てられる。前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４の接合部１６のいずれか一方のリーマ穴１８にリーマピン１９を挿入する。他方の接合部１６のリーマ穴１８がリーマピン１９に挿入されるように前部ロータヘッド１３および後部ロータヘッド１４を組み合わせる。

その後、合わさっている接合部１６同士をボルト２０およびナット２２を用いて接合する。
外輪取付面に、外輪２７を取り付けてナセル３の主軸８に装着する。さらに、風車翼取付部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに風車翼６を取り付ける。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
たとえば、本実施形態では、ロータヘッド４は２分割されているが、これは３分割以上としてもよい。この場合、いずれかの分割面は、本実施形態と同様に回転軸線Ｌに交差する方向に設定される。

Claims (7)

1. 複数の風車翼が軸線回りに放射状に取り付けられている風力発電装置のロータヘッドであって、
   複数に分割されて形成された分割体を接合して構成され、該分割体同士の接合部分の少なくとも一つは前記軸線に交差する面内に形成され、
   前記接合部分は、前記各風車翼の軸線中心を通る面内に形成された鞍部に位置するとともに、厚さ方向の外側および内側に突起するように設けられている風力発電装置のロータヘッド。
2. 前記分割体は２個とされている請求項１に記載された風力発電装置のロータヘッド。
3. 前記接合部分には、相互の接合位置を設定する位置決め部材が設けられている請求項１または２に記載された風力発電装置のロータヘッド。
4. 前記接合部分には、溶湯の入口または出口が設けられている請求項１から３のいずれかに記載された風力発電装置のロータヘッド。
5. 風力を受ける複数の風車翼と、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載されたロータヘッドと、
   該ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、
   が設けられている風力発電装置。
6. 請求項１から４のいずれかに記載された風力発電装置のロータヘッドの製造方法であって、
   鋳造される前記分割体の前記接合部分が上になるように鋳型を形成し、
   溶湯を前記鋳型の下部から注入し、前記接合部分を溶湯の出口とする風力発電装置のロータヘッドの製造方法。
7. 請求項１から４のいずれかに記載された風力発電装置のロータヘッドの搬送組立方法であって、
   前記分割体をそれぞれ別個に組立現場に搬送し、
   該組立現場にて、搬送された前記分割体同士を、前記接合部分を用いて接合する風力発電装置のロータヘッドの搬送組立方法。

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